朱俊高，李 翔 ，徐佳成，鄧 剛

(1.河海大學(xué) 巖土力學(xué)與堤壩工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京210098；2.河海大學(xué) 巖土工程科學(xué)研究所，江蘇 南京210098；3.中國國際工程咨詢公司，北京 100048；4.中國水利水電科學(xué)研究院 巖土工程研究所，北京 100038)

粗粒土浸水飽和時(shí)間試驗(yàn)研究

朱俊高1, 2，李 翔1, 2，徐佳成3，鄧 剛4

(1.河海大學(xué) 巖土力學(xué)與堤壩工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京210098；2.河海大學(xué) 巖土工程科學(xué)研究所，江蘇 南京210098；3.中國國際工程咨詢公司，北京 100048；4.中國水利水電科學(xué)研究院 巖土工程研究所，北京 100038)

對來自雙江口、兩河口、小浪底、馬吉4座土石壩的不同粒徑的粗粒土進(jìn)行浸水飽和時(shí)間試驗(yàn)研究，分析了吸水率與吸水時(shí)間、粒徑、顆粒巖性等的關(guān)系。試驗(yàn)結(jié)果表明：粗粒土浸水達(dá)到飽和時(shí)間與其粒徑成正相關(guān)，顆粒的巖性也是影響浸水飽和時(shí)間重要因素，吸水率與浸水歷時(shí)的關(guān)系可以用雙曲線函數(shù)來描述，并對該函數(shù)進(jìn)行了初步驗(yàn)證。同時(shí)，進(jìn)一步對實(shí)際試驗(yàn)用多粒組級配料的飽和時(shí)間進(jìn)行分析，建議了粗粒土三軸剪切試驗(yàn)及蠕變試驗(yàn)的試樣飽和時(shí)間估算方法及需要的合理飽和時(shí)間。對最大粒徑為60 mm的粗粒土，三軸剪切試驗(yàn)建議飽和時(shí)間0.5～1 h，蠕變試驗(yàn)建議飽和時(shí)間2 h。

巖土工程；粗粒土；吸水過程；飽和時(shí)間；三軸試驗(yàn)

0 引 言

近年來，我國土石壩大規(guī)模的建設(shè)對粗粒土的力學(xué)性質(zhì)研究提出了越來越高的要求，針對粗粒土的試驗(yàn)研究越來越多[1]。在研究其性質(zhì)的眾多試驗(yàn)中，粗粒土試樣的飽和是試驗(yàn)開展的重要條件，如果試樣飽和度不高，甚至在試驗(yàn)加載過程中顆粒還在吸水飽和，必然影響試驗(yàn)結(jié)果。比如，三軸試驗(yàn)中，試樣的體積變形量一般是通過測定試樣排水量確定，如果試樣的顆粒沒有完全飽和，在試驗(yàn)剪切過程中，粗粒土顆粒會吸水從而影響體變量測精度。粗粒土顆粒較大，吸水飽和需要時(shí)間較長，但是到底需要多久能基本飽和并滿足試驗(yàn)精度要求，相關(guān)研究很少，現(xiàn)有規(guī)范對飽和時(shí)間也沒有明確的規(guī)定。因此，有必要進(jìn)行粗粒土顆粒飽和時(shí)間試驗(yàn)研究，通過研究土料飽和時(shí)間，可以合理確定試樣浸水飽和時(shí)間，有效地提高試驗(yàn)的精確度和效率，為各種關(guān)于粗粒土的土工試驗(yàn)提供重要參考。

到目前為止，國內(nèi)外學(xué)者對巖石試樣的浸水飽和時(shí)間的研究較多。例如，何滿潮等[2]、周莉等[3]進(jìn)行了泥巖、砂巖的吸水飽和試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)孔隙率、礦物含量與巖石種類是影響吸水特性的主要因素，將巖石吸水過程歸納為上凸型、下凹型和直線型，并建立了吸水函數(shù)。楊寶全等[4]進(jìn)行了水巖耦合三軸試驗(yàn)，揭示了錦屏拱壩壩肩軟弱巖體的強(qiáng)度特性有水壓弱化特性。景海河等[5]通過對榮華礦深部巖石的研究，提出吸水過程特征曲線呈三次和四次多項(xiàng)式型。汪亦顯等[6]對經(jīng)過不同浸泡時(shí)間后的軟巖樣品進(jìn)行試驗(yàn)，其結(jié)果表明軟巖含水率力學(xué)參數(shù)與水巖作用時(shí)間具有高度線性相關(guān)性。此外，周翠英等[7]針對軟巖軟化的問題進(jìn)行了試驗(yàn)研究，并且從微觀角度做出了分析；S.W.J.D.BROK等[8]重點(diǎn)研究了巖石的水理化性質(zhì)；王軍等[9]針對含水巖石的力學(xué)性質(zhì)，提出了膨脹巖抗剪強(qiáng)度與含水量的關(guān)系；孫鈞等[10]結(jié)合三峽工程，研究了花崗巖的抗拉強(qiáng)度與時(shí)間的關(guān)系；楊春和等[11]針對板巖遇水后的力學(xué)特性給出了試驗(yàn)研究與理論分析。上述相關(guān)研究主要針對標(biāo)準(zhǔn)巖石試樣，對粗粒土浸水飽和時(shí)間的研究有一定的參考作用，但是，要合理準(zhǔn)確確定粗粒土飽和時(shí)間，還需深入的有針對性的研究。

對來自雙江口、兩河口、小浪底、馬吉4座土石壩的粗粒土進(jìn)行了浸水飽和時(shí)間研究試驗(yàn)。通過對試驗(yàn)結(jié)果的分析，研究了粗粒土浸水飽和時(shí)間的規(guī)律，提出了一個(gè)吸水過程函數(shù)。建議了粗粒土三軸試樣的合理飽和時(shí)間估計(jì)方法。

1 試驗(yàn)土料及試驗(yàn)方法

粗粒土浸水飽和時(shí)間主要與巖性和粒徑有關(guān)。因此，筆者對4種不同來源地的粗粒土進(jìn)行了浸水飽和試驗(yàn)，這4種粗粒土分別來自雙江口、兩河口、小浪底、馬吉4座土石壩，其巖性如表1。每種土料取5 kg，4個(gè)粒徑組，分別為：60～40 mm，40～20 mm，20～10 mm，10～5 mm。試驗(yàn)用土經(jīng)過日光下的晾曬，處于自然風(fēng)干狀態(tài)，含水率接近于0。這4種料均為新鮮巖石人工破碎料，顆粒不均勻，具有尖銳的棱角。文中來源地的差異主要體現(xiàn)在巖性上，所以后文用 “巖性”討論此差異。

表1 4種粗粒土的巖性

試驗(yàn)所用儀器如圖1，該試驗(yàn)裝置主要由試驗(yàn)桶、水箱、體變管、閥門等組成，其中試驗(yàn)桶高30 cm，直徑25 cm。

圖1 試驗(yàn)儀器示意Fig.1 The schematic of test instrument

粗粒土浸水飽和試驗(yàn)方法為：①將試驗(yàn)土料置于試驗(yàn)桶中，并迅速向試驗(yàn)桶中充水(可以認(rèn)為，試樣的全部顆粒同時(shí)開始浸水)；②迅速蓋上試驗(yàn)桶頂蓋使試驗(yàn)桶處于密閉狀態(tài)；③打開兩個(gè)閥門，使水從水箱進(jìn)入試驗(yàn)桶，待試驗(yàn)桶充滿水，體變管內(nèi)水位上升到一定高度；④關(guān)閉水箱閥門，開始測讀時(shí)間及體變管的讀數(shù)，當(dāng)讀數(shù)在較長時(shí)間內(nèi)保持不變或單位時(shí)間吸水量較小時(shí)，即認(rèn)為試驗(yàn)桶的粗粒土已經(jīng)飽和。

依據(jù)上述試驗(yàn)方法，從開始向試驗(yàn)桶內(nèi)充水，到試驗(yàn)桶充滿水，體變管內(nèi)水位上升到預(yù)定高度，至多需15 min，所以，所有試驗(yàn)統(tǒng)一規(guī)定以試驗(yàn)桶內(nèi)充水后15 min為計(jì)時(shí)起點(diǎn)，開始測讀體變管讀數(shù)(作為試樣吸水量)。因?yàn)楸驹囼?yàn)主要研究的是粗粒土的飽和時(shí)間(即試樣達(dá)到飽和或基本飽和需要的時(shí)間)，而決定試樣是否飽和的標(biāo)準(zhǔn)是飽和后期的吸水量，也就是當(dāng)單位時(shí)間吸水量很小的時(shí)候即認(rèn)為試樣飽和，因此，前期吸水量并不是本研究所關(guān)心的，開啟閥門后的15 min雖然沒有讀數(shù)，但對最終的結(jié)果并沒有影響。當(dāng)然，最終的吸水飽和時(shí)間應(yīng)是試驗(yàn)測得的飽和所需時(shí)間加15 min。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 試驗(yàn)結(jié)果

對前述的4種粗粒土不同粒徑組的試樣進(jìn)行了浸水飽和試驗(yàn)。這里借用巖石吸水率ω的概念，定義粗粒土吸水率ω為單位質(zhì)量干土的吸水量(體積)：mL/kg。粗粒土從浸水開始，其吸水率ω隨時(shí)間增大，點(diǎn)繪每種巖性粗粒土的4種不同粒徑組的試樣吸水率ω與時(shí)間t的關(guān)系曲線，如圖2。圖中，試樣編號用粗粒土的來源地的首字加粒徑組表示，如以“馬40-60”代表馬吉土石壩所用的粒徑為40～60 mm的粗粒土。

從圖2可以看出，同種巖性下粒徑不同，但其吸水曲線的趨勢相似。吸水過程中，吸水率隨著時(shí)間的增加而增大。在初始計(jì)時(shí)的一段時(shí)間內(nèi)，吸水率增大明顯，一定時(shí)間后，吸水率隨著時(shí)間的增加逐漸減小，又經(jīng)歷一定時(shí)間后，增長趨勢變得十分緩慢甚至不再增長，粗粒土顆粒飽和。

圖2 相同巖性不同粒徑組的粗粒土ω-t關(guān)系曲線Fig.2 ω-t curves of different grain sizes of coarse-grained soil with the same lithology

在試驗(yàn)開始前和結(jié)束后，分別測粗粒土的日曬風(fēng)干含水率和飽和面干含水率，用后者減去前者即得到粗粒土從風(fēng)干到飽和整個(gè)過程的飽和吸水率ωsat。整理飽和吸水率與平均粒徑d的關(guān)系，如圖3。圖3可以清楚地看出，隨粒徑增大，吸水率顯著減小。

圖3 飽和吸水率與平均粒徑關(guān)系Fig.3 Relationship between saturation water absorption rate and average particle size

以體變管水位基本不下降或每30 min吸水量﹤0.1 cm3作為試樣飽和的標(biāo)準(zhǔn)。從而，整理出16組粗粒土浸水達(dá)到基本飽和所需的時(shí)間，結(jié)果如表2。

表2 粗粒土浸水飽和時(shí)間

Table 2 Inundation saturation time of coarse-grained soil /h

粒徑/mm雙江口兩河口小浪底馬吉40～6013．09．08．512．520～4012．08．57．511．510～207．55．54．59．05～103．03．04．03．0

從表2可以看出，相同巖性下，粗粒土的飽和時(shí)間隨著粒徑的增加而增加， 且粒徑對飽和時(shí)間的影響較大，甚至有最大粒徑組與最小的相差10 h。在相同粒徑下，砂巖(小浪底)和板巖(兩河口)的粗粒土吸水率相比于另兩個(gè)較多。

對最小的粒徑組5～10 mm的粗粒土試樣，不同來源地的土的浸水飽和時(shí)間基本相同。除此粒組之外，對其他的粒徑組試樣，雙江口和馬吉的粗粒土的飽和時(shí)間明顯高于來自小浪底和兩河口的粗粒土；相反，雙江口和馬吉粗粒土的飽和吸水率小，這可能是由于其內(nèi)部孔隙大顆粒的孔隙連通性較好，水進(jìn)入的多而且充滿整個(gè)粗粒土顆粒內(nèi)部孔隙的速度較快，而相對于孔隙較小的粗粒土，其連通性本身也差，水滲入顆粒內(nèi)部所用的總時(shí)間也就相對較長。

結(jié)合圖3，浸水后15 min的總吸水率，隨著粒徑的增加先增大后減小。說明小粒徑組吸水最多，但其吸水速率也最快，在15 min之內(nèi)就已經(jīng)接近飽和。

2.2 吸水過程函數(shù)

觀察圖1粗粒土吸水過程的ω-t曲線，發(fā)現(xiàn)其形態(tài)和雙曲線比較接近，因此，整理4種土石料的t-t/ω的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)線性關(guān)系很好。限于篇幅，這里僅給出了小浪底粗粒土4個(gè)粒徑組料的t-t/ω關(guān)系散點(diǎn)圖及擬合直線，如圖4。

圖4 t-t/ω關(guān)系曲線Fig.4 Curves between t and t/ω

所以，粗粒土的吸水率與時(shí)間可以用式(1)表示：

(1)

式中：t為粗粒土與水接觸時(shí)開始計(jì)時(shí)的時(shí)間，即浸水歷時(shí)，h；ω為15 min以后開始計(jì)算的吸水率，ml/kg；a，b為參數(shù)。

式(1)中的參數(shù)a，b與平均粒徑d的關(guān)系如圖5。隨粒徑增加，參數(shù)a取值總體呈先減小后增大趨勢。參數(shù)b取值基本隨粒徑增加而增大。由于試驗(yàn)總量相對較少，目前還難以總結(jié)出參數(shù)a，b隨粒徑d的變化關(guān)系，待進(jìn)一步研究。

圖5 吸水過程函數(shù)的參數(shù)取值Fig.5 Parameter values of the hyperbola function

為驗(yàn)證式(1)的適用性，作者利用其計(jì)算出吸水率與時(shí)間關(guān)系，并與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較，如圖6。圖中，點(diǎn)為試驗(yàn)值，實(shí)線為式(1)計(jì)算結(jié)果。由圖6可見，式(1)能較好的反應(yīng)粗粒土吸水過程中吸水率和時(shí)間的關(guān)系。

圖6 式(1)計(jì)算ω-t關(guān)系與試驗(yàn)結(jié)果比較Fig.6 ω-t relationship calculated by function (1) and the comparison of test results

2.3 粗粒土三軸試樣合理飽和時(shí)間的討論

上述試驗(yàn)表明，隨時(shí)間增大粗粒土顆粒吸水率逐漸增大，但是其增大的速率在逐漸減小。粗粒土浸水后，需經(jīng)歷一定的時(shí)間才能基本飽和或完全飽和。如果浸水歷時(shí)較短，則在剪切階段試樣顆粒仍然在吸水，勢必影響體積應(yīng)變測量精度。下面將對粗粒土需要的合理飽和時(shí)間進(jìn)行研究。

一般情況下，試驗(yàn)用土料為含有多粒組級配的料，因此，需要根據(jù)上述試驗(yàn)總結(jié)的規(guī)律確定實(shí)際試驗(yàn)級配料的飽和時(shí)間。下面利用式(1)估算多粒徑組級配粗粒土的飽和時(shí)間。如前所述，式(1)的參數(shù)a、b與粒徑的關(guān)系還難以給出合理規(guī)律，這里參數(shù)a暫近似取用各個(gè)粒徑參數(shù)的的平均值。參數(shù)b隨粒徑的關(guān)系盡管不是很好，但趨勢是明顯的，因此，近似用式(2)的線性關(guān)系表示：

b=αd+β

(2)

式中：d為粒徑組平均粒徑，mm；α，β為b的線性擬合關(guān)系參數(shù) 。

上述試驗(yàn)中5 kg粗粒土浸水飽和時(shí)間大多分布在3～12 h，最多需要13 h，又因?yàn)閹r性等其他因素會對其飽和時(shí)間造成影響。所以假定24 h為完全飽和時(shí)間(即假定粗粒土完全飽和需要的吸水時(shí)間)，則飽和吸水率可由式(3)近似計(jì)算：

(3)

定義剩余吸水率為飽和吸水率與當(dāng)前時(shí)刻的吸水率之差，用Δω表示，則可用式(4)計(jì)算：

Δω=ωsat-ω

(4)

為了研究粗粒土三軸試樣的合理飽和時(shí)間，需要分析試樣浸水后經(jīng)歷一段時(shí)間t后，在t時(shí)刻以后的時(shí)間內(nèi)吸水量占試樣體積大小，定義為剩余吸水體積應(yīng)變，用Δε表示。為此，需利用式(1)計(jì)算土料的每一個(gè)粒徑組某時(shí)刻的剩余吸水率，從而用式(5)計(jì)算整個(gè)三軸試樣的剩余吸水量(ΔQ，即當(dāng)前時(shí)刻以后直至試樣飽和時(shí)的吸水量)：

ΔQ=m(p50Δω50+p30Δω30+p15Δω15+p7.5Δω7.5)

(5)

式中：m為三軸試樣的(干)質(zhì)量；p為某粒徑組的百分含量，下標(biāo)的數(shù)字代表該粒徑組的平均粒徑。

由于﹤5 mm的顆粒粒徑較小，飽和時(shí)間較短，因此，對筆者所研究的問題，其引起的剩余吸水量較小，這里忽略不計(jì)。因此，剩余吸水體積應(yīng)變?yōu)椋?/p>

(6)

式中：Vc為三軸試樣的體積，cm3。

下面以擬定的某級配為例，討論大型三軸試樣飽和所需要的合理時(shí)間，其級配如表3。大三軸試樣直徑30 cm、高度60 cm。

對現(xiàn)有常見土石壩工程，粗粒土三軸剪切試驗(yàn)所測得常用圍壓下試樣體積應(yīng)變范圍通常為εv，max=1%～5%，則用剩余吸水體積應(yīng)變Δε除以體積應(yīng)變εv，max，即可得到試樣因飽和時(shí)間不足引起的體積應(yīng)變相對誤差(以下簡稱飽和體變相對誤差，用RE表示)。飽和時(shí)間的不同，所造成的相對誤差也不盡相同。對筆者試驗(yàn)的4種來源地的粗粒土，其相對誤差值列于表4。4種土及均值的上限值與浸水歷時(shí)的關(guān)系繪制于圖7。

表3 擬定的粗粒土級配

表4 常見圍壓下三軸試樣飽和體變相對誤差

圖7 飽和體變相對誤差RE與浸水歷時(shí)t的關(guān)系曲線Fig.7 Relationship curves between the relative error of the saturation RE and the inundation time t

由表4可以看出，對應(yīng)相同的浸水歷時(shí)，不同巖性的粗粒土的飽和體變相對誤差RE有一定差異，雙江口的堆石料的RE最小，而其它4種料的RE比較接近。由于筆者試驗(yàn)的土料種類相對較少，巖性不同導(dǎo)致飽和體變相對誤差的差異還很難評價(jià)，有待更多試驗(yàn)資料的驗(yàn)證。

另一方面，表4和圖7顯示，隨著浸水歷時(shí)的增加，試樣RE顯著減小。如果浸水歷時(shí)僅僅0.25 h，較低圍壓下不同巖性試樣的RE平均達(dá)6.48%；而當(dāng)浸水歷時(shí)為2 h，該相對誤差減少到2.54%，浸水8 h后，其相對誤差可控制在1%以下。

圖7表明，0～2 h內(nèi)，曲線比較陡；浸水歷時(shí)超過2 h后，曲線趨于平緩，飽和體變相對誤差隨時(shí)間增大減小緩慢。在0～2 h內(nèi)，盡管RE隨時(shí)間增加而顯著減小，但是，對應(yīng)浸水歷時(shí)1 h的RE平均最大3.09%，0.5 h的RE平均最大也只有5.29%。因此，對于粗粒土大型三軸剪切試驗(yàn)，試樣浸水飽和時(shí)間建議取0.5～1 h。對于蠕變試驗(yàn)，對試樣變形測量精度要求較高，建議取2 h左右。

進(jìn)行試驗(yàn)的粗粒土最大粒徑為60 mm，由于粗粒土巖性的不同，試驗(yàn)級配的不同，達(dá)到飽和時(shí)間有差異。因此，如級配最大粒徑﹥60 mm或大粒徑顆粒較多，應(yīng)適當(dāng)增加飽和時(shí)間。

3 結(jié) 論

對粗粒土的浸水飽和時(shí)間進(jìn)行了試驗(yàn)研究，分析了粗粒土的吸水規(guī)律，得出的結(jié)論如下：

1)4種不同巖性的粗粒土不同粒徑粒組的顆粒浸水飽和試驗(yàn)表明，飽和時(shí)間與粗粒土的粒徑明顯成正相關(guān)，而且，顆粒巖性不同對其浸水飽和時(shí)間也有一定影響。

2)針對粗粒土的吸水過程，建立了雙曲線形式的吸水過程函數(shù)，并進(jìn)行了驗(yàn)證。

3)基于提出的吸水過程函數(shù)，建立了多粒組級配粗粒土的合理浸水飽和時(shí)間確定方法。建議大型三軸剪切試驗(yàn)的試樣需要的飽和時(shí)間為0.5～1 h，蠕變試驗(yàn)試樣的飽和時(shí)間為2 h，填補(bǔ)了相關(guān)研究的空白。

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Experimental Study of Saturation Time of Coarse-Grained Soil

ZHU Jungao1, 2, LI Xiang1, 2, XU Jiacheng3, DENG Gang4

(1. Key Laboratory of Geomechanics & Embankment Engineering of Ministry of Education, Hohai University,Nanjing 210098, Jiangsu, P.R.China; 2. Geotechnical Research Institute, Hohai University, Nanjing 210098, Jiangsu, P.R.China; 3. China International Engineering Consulting Corporation, Beijing 100048, P.R.China; 4. Department of Geotechnical Engineering, China Institute of Water Resources and Hydropower Research, Beijing 100038, P.R.China)

The inundation saturation test on different particle size of coarse grained soil from four earth-rock dams, including Shuangjiangkou, Lianghekou, Xiaolangdi and Maji was carried out. The relationships among water absorption rate, water absorption time, particle size and lithology of grain size were analyzed. The results show that there is a positive correlation between the saturation time and particle size of coarse-grained soil, and the lithology of grain size is also an important factor that influences the inundation saturation time. Furthermore, the correlation between the rate and time of water absorption turns out to be a hyperbolic function after a preliminary verification. Meanwhile, the saturation time of multi-particle groups in the actual test was further analyzed, and the reasonable saturation time and approach to estimate the time for the tri-axial shear and the creep test samples of coarse-grained soil were recommended. In the case of the coarse-grained soil with maximum particle size of 60 mm, the recommended saturation time of tri-axial shear test is among 0.5 ～1 h, and the recommended saturation time of the creep test is 2 h.

geotechnical engineering; coarse-grained soil; absorption process; saturation time; tri-axial shear test

2015-10-08；

2015-11-05

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51479052)；國家"973"計(jì)劃資助項(xiàng)目(2013CB036404)；江蘇省六大人才高峰項(xiàng)目(JZ-011)

朱俊高(1964—)，男，江蘇興化人，教授，博士，主要從事土體基本性質(zhì)與本構(gòu)模型、土石壩工程方面的研究。E-mail: zhujungao@hhu.edu.cn。

李 翔(1991—)，男，天津人，碩士研究生，主要從事堤壩與道路工程、本構(gòu)模型方面的研究。E-mail:lixianghhu@163.com。

10.3969/j.issn.1674-0696.2016.01.17

TU443

A

1674-0696(2016)01-085-05